电压测量DVM-AD原理.docVIP

电子测量 第五章 电压测量 5．4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理 5．4．1 DVM的组成原理及主要性能指标 1．DVM的组成 数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。 1）组成框图 2 内部构成 ●包括模拟和数字两部分。 ●输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。 ●核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），实现模拟电压到数字量的转换。 ●数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。 ●逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。 应用 ●直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速A/D转换器）。 ●通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。 ●通过电流-电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。 ●基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 ●DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口(如GPIB)。 2．主要性能指标 ●显示位数 完整显示位：能够显示0~9的数字。 非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。 如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999 。 而位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999 。 ●量程 基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。 通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程。 如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程； 基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。 ●分辨力 指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。 用每个字对应的电压值来表示，即V/字。 不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。 例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字” ）。 分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力为0.1mV，则分辨率为： 分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分辨率为 ●测量速度 每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。 一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒~几十次/秒。 ●测量精度 取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。 固有误差表达式： 示值（读数）相对误差为： 式中，Vx——被测电压的读数； Vm——该量程的满度值（Full Scale, FS）； ——误差的相对项系数； ——误差的固定项系数。 固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。 读数误差：与当前读数有关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。 满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关。 有时将等效为“±n字”的电压量表示，即 如某台4位半DVM，说明书给出基本量程为2V，=±（0.01%读数+1字）。 则在2V量程上，1字=0.1mV，由2V=0.1mV可知， =0.005%，即表达式中“1字”的满度误差项与“0.005%”的表示是完全等价的： 当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上。 ●输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。 输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10MΩ~1000MΩ之间。 对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十~几百pF之间。 5．4．2 A/D转换原理 A/D转换器分类： ●积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、电压-频率（V-F）变换式等。 ●非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比较式（逐次逼近式、零平衡式）等。 1．逐次逼近比较式ADC 基本原理： 将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分有哪些信誉好的足球投注网站”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。 ●假设基准电压为Vr=10V，为便于对分有哪些信誉好的足球投注网站，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。 Vr可分解为： 上式表示，若把Vr不断细分（每次取上一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有限项时，则